钢液/熔渣—耐火材料界面电润湿机理与动力学研究

Due to the physical and chemical erosion of molten slag and liquid steel, refractory lining in steel ladle damage seriously and the waste produced from the refractory lining can cause the secondary pollution in the whole steelmaking process. The electrowetting technology is introduced to change the interfacial properties between the melts and refractory by applying an external voltage, which can increase the corrosion resistance of refractory lining and thus lead to long lifetime. The interfacial wetting dynamics and reaction mechanism are investigated during the electrowetting process. The decarburized layer produced from the carbon reaction of carbon-containing refractory is used for the insulation material which allows the applied voltage to change at its wide range. In order to decrease the penetrating depth of melts, the interfacial tension and wetting angle are coordinated effectively by applying a rational external voltage. The electrowetting technology displays no current and energy wastage and thus belongs to the clean and effective physical protection way. The electrowetting theory is an attempt in the traditional metallurgical field, which can provide the novel resolution for the protection of refractory and technical support for the clean steel making.

钢的精炼过程中，受高温钢液/熔渣的物理冲刷和化学侵蚀作用，钢包内衬耐火材料损毁严重，且损毁产物（外来夹杂物）会对钢液产生严重的二次污染。为了降低高温熔体对耐火材料的界面熔损，本研究以电润湿理论为基础，通过外加合理电势改变耐火材料与冶金熔体间的界面润湿特征，并深入剖析钢液/熔渣—耐火材料界面电润湿动力学和反应机理；以含碳耐火材料自身形成的脱碳层为基础构建绝缘介质层，实现外加电势对界面张力和三相接触角的协同调控，不仅可以有效避免熔体的电解反应，同时能降低高温熔渣/钢液对耐火材料的侵蚀和渗透程度，进而对其实施有效的物理保护。电润湿系统仅需电压驱动，无电流通过，全过程无能量消耗，是一种清洁新型的物理保护方式。本课题是电润湿理论在冶金领域中应用的全新尝试，期望为耐火材料长寿化研究提供启发性解决方案，进而为洁净钢制造提供技术支撑。

钢的精炼过程中，受高温钢液/熔渣的物理冲刷和化学侵蚀作用，钢包内衬材料损毁严重，且损毁产物（外来夹杂物）会对钢液产生严重的二次污染。为了降低高温熔体对耐火材料的界面熔损，本研究以电润湿理论为基础，通过外加合理电势改变耐火材料与冶金熔体间的界面润湿特征，并深入剖析钢液/熔渣—耐火材料界面电润湿动力学和反应机，实现外加电势对界面张力和三相接触角的协同调控，不仅可以有效消除熔体电解，同时能降低高温熔渣/钢液对耐火材料的侵蚀和渗透程度，进而对其实施有效的物理保护。课题根据相似相溶原理，采用低温物理模拟电压条件下熔渣/耐火材料界面电润湿效果，该研究结果表明，无论是氧化铝还是氧化镁，外加电压改变了溶液的界面张力，在电润湿与马兰戈尼流的共同作用下，两者间的接触角随着电压的增加，呈现出先减小后增大，但变化范围不一致，该结果对于指导高温试验具有重要意义。高温电润湿实验中，对于氧化铝耐火材料施加一定的外加电压（2~6V）可有效在其表面形成致密的保护层，且电压越大，致密层厚度越明显，致密层形成有效减缓耐火材料基体的溶解损失，从而保护耐火材料。值得注意的是，含碳耐火材料（镁碳砖）因为脱碳层较薄，低电压时可以形成有效的电润湿保护，高电压脱碳层绝缘效果不明显，电润湿效果不佳，但高电压可加速熔渣的分解，阴极金属Si析出可诱导耐火材料表面形成高熔点保护层（Ca2SiO4、MgAl2O4），从而有效抑制熔渣对镁碳砖的高温渗透，延长耐火材料的服役寿命。